Information on Effective Strength Signal at Safeness Mine Využití informačních signálů při řízení bezpečnosti dolu

Transkript

1 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, Information on Effective Strength Signal at Safeness Mine Využití informačních signálů při řízení bezpečnosti dolu VANČURA, Vladislav Institut ekonomiky a systému řízení, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava-Poruba, vladislav.vancura@vsb.cz Abstrakt: Pro zajištění bezpečnosti a řízení výroby na dolech se používají monitorovací a řídicí systémy, které umožňují trvalé sledování a řízení dolu inspekční službou a výrobním dispečerem. Řízení a organizace složitých systémů, jakým jsou technologické procesy a provozy, ale i řízení jejich projektů, vyžaduje mít k dispozici metody a nástroje, které splňují požadavky a to v poskytování vyčerpávajících znalostí vztahů a závislostí mezi nimi a to tak, aby byl dán jasný a úplný přehled s ohledem na daný řídicí stupeň se všemi návaznostmi a podmíněnostmi dílčích operací, a dále možnost účinné koordinace všech činností a z pohledu ekonomiky hospodárné využití všech pracovních prostředků a to i z hlediska dalších realizovaných akcí pro minimalizování prostojů. Cílem je vytvořit inteligentní model řízení bezpečnosti a tento vytvořený inteligentní model aplikovat v příslušném programovém vybavení (např. program Graf_Síť). Dále tento inteligentní model řízení bezpečnosti začlenit do zvoleného monitorovacího a řídicího systému MTA na Dole Paskov, závodu Staříč. Inteligence tohoto řešení spočívá v tom, že se využije měřených veličin k odvození dalších informací, které se sice nezískají přímým měřením, ale vyplývají ze vzájemných vazeb automaticky měřených veličin. Klíčová slova: MTA, monitorování, inteligentní, model, bezpečnost 1 Rozbor technologických procesů na hlubinném dole Na počátku dané problematiky je nutné začlenit moji práci do příslušné oblasti v hlubinném dole a to postupnými rozbory hierarchických struktur. Základní rozdělení hlubinného dolu je zobrazeno v hierarchické struktuře na obr. 1. Na tomto obrázku je znázorněn hlubinný důl jako celek s patřičnými závislými vazbami. Záměrně uvádím pojem závislými vazbami, protože definuji důl jako systém a každý zde uvedený prvek je závislý na každém prvku v tomto systému. Prvky systému dále rozdělím podle technologických procesů, tj. na patřičné oblasti podle časového harmonogramu. Takže je dělím do třech řídicích úrovní a to do následujících: Procesní řídicí úroveň Dispečerská řídicí úroveň Manažerská řídicí úroveň Manažerskou řídicí úroveň lze stručně charakterizovat jako úroveň řízení podniku hlubinného dolu. Dále pak dispečerská řídicí úroveň se obvykle dělí na pracoviště velínů, dispečerů, řízení odbytu a následně pracoviště vedoucí směny a podobně, kde uživatelé mají k dispozici informace o průběhu řízení procesu. Poslední procesní řídicí úroveň je bezprostředně spojena s technologickým procesem. Zde se zejména jedná o přímé řízení technologických uzlů v distribuovaných řídicích jednotkách, v automatizovaných vstupech

2 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, dat a podobně. Na obr. 1 je také zvýrazněna oblast dekompozice, kterou se dále bude moje práce zabývat. Obr. 1 Hierarchická struktura hlubinného dolu Můžeme obecně tvrdit, že příroda je základním kritériem v důlních geologických podmínkách, a tím je základním kritériem existence, životaschopnosti a efektivnosti důlního podniku. Definujeme-li důlní podnik jako systém, je nutno specifikovat všechny činnosti v rámci plnění účelu a poslání systému, a to vede k rozdělení podniku na tři velké systémy: Systém technologicko-výrobní Systém zabezpečovací Systém technicko-ekonomický Systém technologicko-výrobní zahrnuje vlastní procesy dobývání, ražení, dopravy, úpravny a odbytu. Systém zabezpečovací zahrnuje oblast zajištění pracovní síly, základní fondy, zásobování materiálem, zásobování energií a zajišťování bezpečnosti. Poslední systém technicko-ekonomický zahrnuje oblast plánování, kontroly, financování a technickoekonomického normování. Významnou částí zabezpečovacího systému, technologicky ucelenou, je systém větrání, bezpečnost a degazace. Tyto vztahy vnitřních podsystému bezpečnosti, větrání a degazace v oblasti dekompozice je samostatně zobrazeno na obr. 2, kde je rovněž jednoznačně definovaná struktura těchto vztahů. Úkolem je zajištění dobrého pracovního prostředí na pracovištích, tj. přivádění dostatečného množství čerstvých větrů na pracoviště, ochlazování pracoviště a odvádění metanu unikajícího z uhlí a trhlin v okolní hornině. Degazace odsává plyn v předstihu z nadloží a podloží tak, aby množství plynu, které se dostane do důlního ovzduší, bylo co nejmenší. Konečně třetím úkolem je hlídání nebezpečných stavů, které mohou vzniknout na pracovištích v důsledku narušení horniny, přítoku vody, provozu mechanizmů a rozvodu energie. Při vzniku havarijní situace (oheň, průval vody, ohřev, průtrž, apod.) musí zachytit vznik takové situace, informovat patřičné

3 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, pracovníky a umožnit rychlou informaci všech ohrožených pracovníků a nutnosti opustit ohroženou oblast a usnadnit likvidaci takové situace. Obr. 2 Hierarchická struktura vnitřních vztahů podsystému bezpečnosti, větrání a degazace Každý hlubinný důl má individuální větrnou a degazační síť a rozmístění měřících snímačů závislých na provoze, které je plně podřízeno jeho činnosti z hlediska dobývání a příprav. Z tohoto důvodu se nemůže systém větrání vůbec samostatně plánovat, a to ani rozvoj větrné sítě a do jisté míry ani investiční zařízení. To je zachyceno i v organizaci podniku tak, že jakékoli perspektivní plány rozpracovává odbor rozvoje podniku ve spolupráci s oddělením větrání a tento rozpracovaný návrh se schvaluje vedením podniku za účasti vedoucího větrání. Návrh detailně rozpracovává oddělení přípravy a výroby za konzultace s oddělením větrání a vlastní realizace rozfárávky se opět provádí za účinné spolupráce s odborem větrání. Tedy i když se větrání podílí téměř na veškeré činnosti podniku, nemůže se samostatně dlouhodobě ani krátkodobě plánovat, a proto hlavní činnost v oblasti řízení je zaměřena na operativní řízení provozu. 2 Současný stav v oblasti monitorování uhelných hlubinných dolů Technologický proces současného hlubinného dobývání uhlí vyžaduje maximální zajištění bezpečnosti. Proto základní úlohou monitorovacích a řídicích systémů je dálkové monitorování a řízení bezpečnostních parametrů dolu (předepsané Státní báňskou správou) a následně i výrobních důlních parametrů (pro zlepšení efektivnosti). Prvořadou otázkou bezpečnosti důlního prostředí je zvládnutí nebezpečných plynů. Nejvíce problematický z hlediska bezpečnosti je metan, který je přítomný v uhelných slojích a rovněž v průvodních horninách a velmi ztěžuje dobývání uhelných zásob. Dnešní technika umožňuje tuto otázku řešit monitorováním a řízením důlních zařízení. Určitými modely a zkušenostmi lze výskytu metanu předcházet případně jej eliminovat. Pomocí monitorovacího systému lze maximalizovat těžbu uhlí, například do určité procentní bezpečnostní meze a tím

4 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, minimalizovat prostoje. Další důležitou sledovanou veličinou je oxid uhelnatý, který se vyskytuje v uhlí náchylném ke samovznícení, tj.většinou v závalu. Narůstající koncentrace oxidu uhelnatého je rovněž průvodním jevem vznikajícího požáru i u pásových dopravníků. Měření koncentrace metanu a oxidu uhelnatého předepisuje Státní báňská správa, která určuje základní měřící místa. Stálá kontrola koncentrace metanu se musí v plynujících dolech provádět zejména: v separátně větrném důlním díle s elektrickým zařízením, kde se razí nebo dobývá, s výjimkou separátně větraných porubních chodeb při komorovém dobývání; na pracovišti s pohyblivým strojem poháněným elektrickým pohonem, které je větráno průchodním větrným proudem a kde nelze vyloučit zvýšení koncentrace metanu nad 1 %; ve výdušném větrním proudu samostatného větrního oddělení a větrní oblasti; ve výdušném větrním proudu z pracoviště, kde byla povolena zvýšená koncentrace metanu; v plynujících dolech II. třídy nebezpečí ve výdušném větrním proudu z každého porubu; ve slojích s nebezpečím průtrží uhlí a plynů ve výdušném větrním proudu z každého pracoviště, kde se razí; při provozu trolejové trakce lokomotivní dopravy v prostředí bez nebezpečí výbuchu metanu (SNM 0) v místech styku s důlními díly zařazenými do prostředí se zvýšeným nebezpečím výbuchu metanu (SNM 2); v dalších místech určených závodním dolu. Dále stálá kontrola koncentrace oxidu uhelnatého se musí v plynujících dolech provádět zejména: ve výdušném proudu každého samostatného větrního oddělení a výdušném proudu větrní oblasti; ve slojích náchylných k samovznícení ve vtažném větrním proudu samostatného větrního oddělení a ve výdušném větrním proudu porubu a separátně větraného důlního díla, kde se razí nebo dobývá, s výjimkou porubních chodeb separátně větraných porubů; ve vztažné jámě, kde je nebezpečí vnikání CO z povrchového zdroje do dolu; v dalších místech určených závodním dolu. Další často měřený parametr je množství dusíku pro preventivní likvidaci možného samovznícení v závalu, množství degazovaného plynu a další potřebné informace. Dále se sledují: chody hlavních ventilátorů, chody pomocných ventilátorů, stavy větrních dveří, stavy hrázových objektů, tlak požární vody, rychlost větrů, barometrický tlak, deprese jednotlivých větrních úseků a další doplňující informace. Z těchto sledovaných informací se provádí ovládání, respektive řízení důlního technologického procesu pro zajištění bezpečnosti, tj. zejména automatické vypínání elektrické energie při překročení nastavených mezí koncentrace metanu. Další a v dnešní době velice důležitou otázkou je řízení výroby. Proto i v této oblasti je na monitorovací a řídicí systémy rovněž kladen velký důraz. Sleduje se chod kombajnu nebo pluhu, případně souvisejících technologických zařízení; chod pásové dopravy, případně informace o jiné dopravě; plnění a vyprazdňování zásobníků; informace z energetiky a další důležité informace, se kterými můžeme eliminovat prostoje, respektive snižovat náklady, například i na elektrickou energii. Základní charakteristickou vlastností důlního monitorovacího a řídicího systému je, že monitorované a řízené pracoviště se mění, což vede k překládání snímačů. Z tohoto důvodu musí monitorovací a řídicí systém umožnit snadnou a jednoznačnou rekonfiguraci při zrušení, přemístění a novém zadávání měřících míst, respektive snímačů, s jednoduchými nároky na obsluhu. Tyto požadavky vedou ke specifičnosti systému, tedy i programová část musí splňovat snadné uživatelské změny snímačů a map, a to kdykoliv v reálném čase tak, aby prezentované informace odpovídaly umístění snímačů v dole. Celý systém, který se nasazuje pro zajištění bezpečnosti, musí splňovat vyhlášky Státní báňské správy. Proto jakékoli připojené snímače musí být schváleny Státním báňským úřadem a odborně zapojené do systému. Tyto podmínky se samozřejmě promítnou do ceny monitorovacího a řídicího systému jako celku, tak i dílčích částí připojených do něj. Do řídicí části systému mohou vstupovat nezávislé vstupy a výstupy, z jiných podsystémů (například DAP, Transmitton apod.) a v daném systému prezentovat údaje případně je využít dle požadavků. Obecný pohled na řídicí a monitorovací systém je na obr. 3. Z obrázku je patrné,

5 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, že každý systém lze rozdělit na důlní zařízení, které přenášejí vstupy, výstupy a to analogové a binární. Tyto informace se dále přenášejí do povrchového zařízení a z něj do prezentačních technologických terminálů, kde jsou už prezentována ve SCADA programu. Prezentování informací se provádí na technologických terminálech, které v současné době představuje počítač PC/AT s daným schváleným prezentačním programem. Tyto technologické terminály jsou určeny pro inspekční službu (trvalý 24 hodinový dohled nad bezpečnosti dolu), případně dispečink výroby a dále mohou být tyto informace využívány například pro dispečink dopravy, apod.. Data jsou rovněž předávána do celopodnikové sítě, což vede k neomezenému prezentování na počítačích a dalšího využití ve všech odvětvích podniku včetně začlenění těchto dat do jiných informačních systému. Jelikož na dole bývá nasazeno několik systémů pro různé aplikace a data mezi systémy se předávají mezi sebou k maximálnímu využití, je nutnou podmínkou pro přenosy mezi různými systémy vzájemně dohodnutý přenosový protokol a to s tím, že musí být zabezpečený chod řídicího systému i při případném výpadku nezávislého vstupního systému, respektive podsystému. 3 Základní charakteristiky monitorovacích systémů pro uhelné hlubinné doly V ostravsko-karvinském revíru se v současné době používají tyto monitorovací a řídicí systémy: systém MCS 02 a systém MTA Jak už bylo rozebráno v kapitole 3, lze každý monitorovací a řídicí systém prezentovat podle obr. 3, tj. monitorovací a řídicí systém lze rozdělit do třech základních prvků: Důlní zařízení Povrchové zařízení Prezentační technologické terminály PREZENTAČNÍ TECHNOLOGICKÉ TERMINÁLY Důlní zařízení bývají především prvky pro přenos informací tj. analogové vstupy, binární vstupy a binární výstupy. Každý systém je individuální proto tato oblast se liší v systémech nejvíce a proto zde nalezneme koncepci každého systému. Z této oblasti se informace přenášejí do povrchového zařízení, kde většinou si můžeme představit technologický terminál, který patřičné data z pracovává a poskytuje po určitém rozhraní dále do prezentačních technologických terminálů, kde hlavní prvek představuje technologický terminál na centrálním dispečerském stanovišti. ANALOGOVÉ VSTUPY POVRCHOVÉ ZAŘÍZENÍ DŮLNÍ ZAŘÍZENÍ BINÁRNÍ VÝSTUPY BINÁRNÍ VSTUPY Obr. 3 Obecná struktura monitorovacího a řídicího systému 4 Systém MTA na Dole Paskov závod Staříč Stávající stav systému MTA na Dole Paskov, závod Staříč je prezentováno v blokovém schématu na obr. 4. K technologickému terminálu MTA je připojen i podsystém DAP v plném osazení, tj vstupů, a rovněž je paralelně připojen i do terminálu server, který přenáší data do programového systému celopodnikové prezentační sítě. Systém MTA je nakonfigurován na 96 binárních výstupů, 128 binárních vstupů a 256 analogových hodnot (např. měření metanu v důlním prostředí pomocí měřicích souprav MTA 4010, oxidu uhelnatého v důlním prostředí pomocí měřicích souprav oxidu uhelnatého MTA 4020, rychlosti a tlaku). Data z MTA 21.00, tj. z modulární mikropočítačové řídicí

6 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, jednotky A 96 se přenáší sériovou linkou RS232 do terminálu obsluhy MTA Skříň MTA je řešena jako typizovaná skříň pro zástavbu do dispečinku s ovládacími prvky na čelní straně a obsahuje následující jednotky: vstupní mikropočítačovou jednotku A 96, vanu vstupních a výstupních karet, zdrojovou (napájecí) část. Napájení je řešeno ze stávající důlní světelné sítě 230V se zálohováním napájení pomocí bateriových zdrojů. Každý snímač i důlní koncentrátor HB/2 má vlastní napájecí zdroj. Pro snímač je to zdroj typu 130/1000/SP s jiskrově bezpečným akumulátorem typu 130/1001/B1 a pro koncentrátory HB/2 je to zdroj typu 122/1000/SP s jiskrově bezpečným akumulátorem typu 122/1001/B1. Do terminálu obsluhy MTA vstupují také data z podsystému DAP. Komunikace mezi vanou DAP a technologickým terminálem je po sériové lince standardu RS 232. Komunikace mezi řídicí jednotkou a koncovými moduly probíhá po přenosové lince. Počet přenášených informací je 1024 rozdělených na osm dvouvodičových linek po 128 informacích. Binární vysílač DKJ přenáší 8 binárních informací po přenosové lince do řídicí jednotky. Uživatelských je 7 vstupů, osmý se používá k přenosu kontrolní liché parity, kterou DKJ sám generuje. Vysílač může pracovat v kterékoliv z 16 pozic na lince. Na každé lince je možno umístit šestnáct koncových modulů po osmi informacích. Komunikace mezi řídicí jednotkou a šestnácti koncovými stanicemi probíhá po krouceném dvoudrátu, což umožňuje velkou úsporu vedení. Vysílací stanice jsou napájeny z linky přenosu, respektive jsou napájeny dálkově až do vzdálenosti deseti kilometrů. Výhodou podsystému je vysoká spolehlivost a odolnost proti náhodnému rušení a přepětí.v tomto terminálu je hodnota měřené analogové veličiny přiřazena k volitelnému jedinečnému číslu v systému (číslování od nuly). Nejdůležitější prezentování je na technologickém terminálu inspekční služby MTA Zde je nasazen vizualizační, monitorovací a řídicí systém Promotic pod operačním systémem Windows NT. Tato kombinace splňuje v dnešní době všechny moderní prvky a standardy. Toto programové vybavení je nasazeno na terminálu obsluhy MTA a na technologickém terminálu MTA Oba terminály mají stejné základní prezentační výstupy, hlavní rozdíl je v jádru programu, ke kterému nemá běžný uživatel přístup. Prezentace na technologickém terminálu MTA může být dle požadavku uživatele doplněné nadstandardními výstupy, jako jsou například schémata, průběhy měřených hodnot snímači v časové ose, průběhy ze zvolených snímačů v jednom obrázku, mapy s monitorovacími a řídicími informacemi, které se mění v reálném čase.

7 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, Obr. 4 Blokové schéma monitorovacího a řídicího systému MTA na Dole Paskov, závod Staříč

8 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, Analyzovat algoritmus vypínání v monitorovacím a řídicím systému MTA s vazbou na síťový model dolu. V tomto bodě se dostávám přímo k řešení hlavního cíle tohoto příspěvku. Zprvu musím definovat čeho se řešení bude týkat. Na obr. 5 je zobrazené blokové schéma toku informací do monitorovacího a řídicího systému MTA K datům, které přijímá terminál obsluhy Inteligentní řízení bezpečnostních parametrů DISPEČER Prezentování informace Archivace Informace o skutečném stavu Vypínací požadavek Algoritmus vypínání s vazbou na síťový model dolu Soubor všech informací Uložení Přepočet informace na požadované jednotky Přířazení informace k jedinečnému číslu v systému ZADÁVÁNÍ DAT OD UŽIVATELE VSTUP DAT ZADÁVÁNÍ DAT OD UŽIVATELE RS 232 DAP MTA další vstupy Obr. 5 Blokové schéma měřených informací se začleněním algoritmu vypínání s vazbou na síť. model dolu MTA 22.00, což jsou jak přímé data MTA nebo data z podsystému DAP apod., se přiřadí nastavení parametrů od uživatele a následně se přiřadí k informaci jedinečné číslo systému, pod kterým bude dále vždy tato informace jednoznačně určena. Dále se informace přepočte na požadovanou hodnotu, kterou chceme prezentovat a uloží do souboru všech informací, kde se nalézají všechny informace. Tento soubor informací se okamžitě archivuje na terminálu obsluhy MTA a může být prezentován na monitoru tohoto terminálu. Takhle obecně lze definovat jak informace postupuje v každém monitorovacím a řídicím systému. Jelikož mluvím i o řídicím systému, tak systém na základě těchto informací a různými výpočty těchto informací, ovládá respektive řídí požadované prvky na dole s pohledu bezpečnosti. Nyní se přímo dostávám k analyzování algoritmu vypínání v monitorovacím a řídicím systému MTA s vazbou na síťový model dolu respektive, že z informací, které máme

9 XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, dostupné, chceme získat další podružné informace a vhodně s nimi řídit prvky v systému bezpečnosti dolu. Abychom mohli plně algoritmus vypínání s vazbou na síťový model dolu řídit, musíme i znát skutečnou informací o řízeném objektu, respektive jestli se uskutečnil požadovaný zásah a v opačném případě tj. při neuskutečnění vědět příčinu (například přerušení vodiče apod.) a plně zasáhnout podle inteligentnímu algoritmu, abychom minimalizovali možné prostoje. Tyto nutné výše zmíněné podmínky jsou také doplněné na obr. 5. Zde je i přímo zobrazená oblast inteligentního řízení bezpečnosti parametrů, tj. oblast řešení třetího cíle mojí disertační práce. 6 Závěr Vytvořený algoritmus vypínání v monitorovacím a řídicím systému popsaný v tomto článku se začlení do inteligentního modelu řízení bezpečnosti. Dalším předpokladem práce bude vytvořit inteligentní model řízení bezpečnosti na větrné síti s umístěním snímačů a umístění vypínacích míst s vazbou na elektrifikaci. Tento inteligentní model řízení bezpečnosti by měl být silný nástroj v oblasti bezpečnosti dolu, respektive v monitorovacích a řídicích systémech. Pro odzkoušení inteligentního modelu řízení bezpečnosti se použije vhodný programový nástroj. Předpokládám použití dostupného programu Graf_Síť, který by měl splnit všechny požadavky. Vytvořený inteligentní model řízení bezpečnosti se začleňuje do zvoleného monitorovacího a řídicího systému MTA na Dole Paskov, závodu Staříč, respektive výše získaný inteligentní model řízení bezpečnosti se bude přímo aplikovat do monitorovacího a řídicího systému MTA Jelikož mám dobrou spolupráci s firmou MTA Ostrava, s.r.o., je možné získat požadované materiály systému MTA na Dole Paskov, závodu Staříč a získat patřičné mapy a další nepostradatelné materiály vhodné oblasti pro tuto aplikaci přímo od techniků na tomto dole. 7 Použitá literatura [1] <URL> [2] <URL> [3] Burý, A. Automatizace hlubinného dobývacího procesu. Skripta VŠB TU, Ostrava 1989 [4] Burý, A. Simulace a modelování důlních systémů. Skripta VŠB TU, Ostrava 1989 [5] Danel, R. Analýza a model operativního řízení odbytu a expedice v úpravnách OKD a ČMD. Doktorská disertační práce. VŠB TU Ostrava, hornicko-geologická fakulta, institut ekonomiky a systémů řízení. Ostrava, [6] Materiály k monitorovacímu a řídicímu systémů MCS 02, 1999 [7] Materiály k monitorovacímu a řídicímu systémů MICON 2P, 1999 [8] Materiály k monitorovacímu a řídicímu systému MTA 11.00, firmy MTA Ostrava, s.r.o. [9] Matušek, J. a kol. Řídicí technika v hlubinných dolech. SNTL, Praha 1977 [10] Neseta, K. Dintra, O. & Mácha, J. Hornická příručka III.díl. SNTL, Praha 1974 [11] Strakoš, V. Burý J. & Burý A. Automatizace dobývacích prací na hlubinných dolech. SNTL, Praha 1984 [12] Strakoš, V. Menšík, J. & Polák, J. Automatizace důlní dopravy. SNTL, Praha 1980 [13] Strakoš, V. Automatizace ve větrání a bezpečnosti dolů. SNTL, Praha 1978 [14] Suchan, L. Důlní větrání v praktických přikladech. SNTL, Praha 1968 [15] Truneček, T. Síťové modely proudění plynu v nehomogenním prostředí. Doktorská disertační práce. VŠB TU Ostrava, hornicko-geologická fakulta, institut ekonomiky a systémů řízení. Ostrava, 2001.